Energiewende und Klimafolgen - HIS-HE · Institut für Technische Mechanik Abschließender Vortrag...
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Energiewende und Klimafolgen
Prof. (em.) Dr.-Ing. Michael F. Jischa
Institut für Technische Mechanik
Abschließender Vortrag auf der Arbeitstagung
„Praxisseminar Energie“
der HIS GmbH und der TU Clausthal
in Kooperation mit der Ruhr-Univ. Bochum
am 4. Juni 2008 in Clausthal-Zellerfeld
Anmerkung: Etliche Bilder und Tabellen stammen aus dem Buch
Jischa (2005) Herausforderung Zukunft – Technischer Fortschritt und Globalisierung
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2Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Energiegeschichte der Menschheit, in Anlehnung an Hubbert, siehe
Winter C-J (1993) Die Energie der Zukunft heißt Sonnenenergie.
Droemer Knaur, München
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3Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Die wesentliche Energiequelle ist die Sonne!(zusätzlich die Rotation der Erde sowie Zerfallsprozesse im Erdinneren)
Energieträger unterteilen in
§ Primärenergieträger
- regenerativ : Holz, Biomasse, Wind, Laufwasser, Gezeiten, Wellen
- nichtregenerativ : Kohle, Erdöl, Erdgas, Uran
§ Sekundärenergieträger (auch Endenergie genannt):
Elektrischer Strom, Benzin, Dieselöl, Heizöl, Gas, Wasserstoff
§ Nutzenergie: Licht, Raumwärme, Geschwindigkeit, Betrieb von Geräten
Primärenergie wird in Nutzenergie umgewandelt. Wegen der Verluste beträgt
das Verhältnis von Primär- zu Sekundär- zu Nutzenergie etwa 3 : 2 : 1
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4Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Reversible (links) und irreversible Energieumwandlung (rechts)
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5Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Wandlung W, Speicherung S und Transport T von Energie
§ Mechanische Energie: W sehr gut, T und S sehr schlecht
§ Elektrische Energie: W sehr gut, T gut, S (noch!) schlecht
§ Fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas:
W schlecht wegen des Carnotschen Wirkungsgrades 1 – T(ab)/T(zu),
T und S gut (Erdgas) bis sehr gut
§ Thermische Energie: W, T und S schlecht
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6Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Energie: Woher und wohin?
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7Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Umwandlungsketten von der Primärenergie zur elektrischen Energie
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8Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Wirkungsgrade von Energiewandlern
5 % Glühlampen
20 % Solarzellen*
30 bis 40 % Otto- und Dieselmotoren, Gasturbinen
60 % Brennstoffzellen
70 bis 80 % Öl- und Gasheizungen
über 90 % Große Elektromotoren und Generatoren
* Bei Solarzellen ist der Erntefaktor (oder die energetische
Amortisationszeit) von größerer Bedeutung als der Wirkungsgrad!
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9Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Globale Nutzung von Energieträgern 1850 – 2000, aus (WBGU 2003)
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10Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Weltenergieverbrauch in Mrd. t SKE, Anteile der Energieträger nach
Fischer Weltalmanach 2005 (2004)
1970 1980 1990 2000
Mrd. t
SKE%
Mrd. t
SKE%
Mrd. t
SKE%
Mrd. t
SKE%
Erdöl 3,009 45,3 3,835 44,6 4,011 36,9 4,305 35,5
Kohle 2,184 32,9 2,623 30,5 3,239 29,8 3,220 26,5
Erdgas 1,293 19,5 1,836 21,4 2,563 23,6 3,261 26,9
Kernenergie 0,010 0,1 0,101 1,2 0,738 6,8 0,947 7,8
Sonstige 0,145 2,2 0,198 2,3 0,314 2,9 0,405 3,3
Summe 6,641 100 8,593 100 10,865 100 12,138 100
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11Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Weltbevölkerung und Weltenergieverbrauch seit der industriellen Revolution
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12Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Der Weltenergieverbrauch nimmt stärker zu als die Weltbevölkerung!
Somit steigt der Verbrauch pro Kopf und Jahr ständig weiter an.
§ Durchschnittlicher Verbrauch in t SKE pro Kopf und Jahr:
0,60 (1900) 1,83 (1970) 2,11 (2003)
§ Regionale Unterschiede (2000):
11 USA, Kanada 15 Katar
5 – 6 westeuropäische Industrieländer (D, F, GB)
1,0 Brasilien, Ägypten
0,8 China 0,6 Philippinen
0,5 Indien 0,4 Pakistan
0,06 Tansania 0,04 Kongo (DR) 0,01 Tschad
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13Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Ressourcen, Reserven und Reichweiten (Lebensdauern)
§ Ressourcen = vermutete Gesamtvorräte
§ Nachgewiesene Reserven = Anteil der Ressourcen, der bekannt und
sorgfältig untersucht ist
§ Ausbringbare Reserven = Anteil der nachgewiesenen Reserven, der unter
derzeit ökonomisch und technisch vertretbaren Bedingungen gewonnen
werden kann
§ Statische Reichweite = derzeit ausbringbare Reserven bezogen auf den
derzeitiger Verbrauch; Angaben hierzu sind unstrittig:
Braunkohle 230 Jahre Erdgas 75 Jahre
Steinkohle 200 Jahre Erdöl 45 Jahre, jedoch 120 Jahre einschl.
Teersande und Ölschiefer
§ Dynamische Reichweite = zukünftige Reserven bezogen auf den
zukünftigen Verbrauch; Angaben hierzu sind spekulativ
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14Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Energiepolitische „Verzweigungssituation“
Charakteristische Studien/Szenarien sind:
§ Enquete-Kommission „Zukünftige Kernenergiepolitik“des 8. Deutschen Bundestages (1980)
§ Wissenschaftlicher Beirat Globale Umweltveränderungen:
„Welt im Wandel; Energiewende zur Nachhaltigkeit“ (WBGU 2003)
§ World Energy Council (WEC)
- „Energy for Tomorrows World“ (WEC 1993)
- 19. Weltenergiekongress in Sydney Sept. 2004
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15Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Enquete-Kommission „Zukünftige Kernenergiepolitik“ (1980)
Zwei Referenzfälle wurden untersucht; Kriterien waren Wirtschaftlichkeit,
internationale Verträglichkeit, Umweltverträglichkeit,
Sozialverträglichkeit
K-Pfad S-PfadK = Kernenergie S = Solarenergie und Sparen
Zentrale Lösung Zentrale und dezentrale Lösungen
Fazit: Beide Pfade sind technisch und ökonomisch machbar. Die
Gesamtkosten unterscheiden sich nicht wesentlich voneinander. Sie
betreffen:
Ver- und Entsorgungsseite Herstellungs- u. Anwendungsseite
Hohe Sicherheitsanforderungen Hoher Flächenbedarf
Folgerung: Der Ausstieg aus der Kernenergie ist möglich
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16Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Welt im Wandel; Energiewende zur Nachhaltigkeit (WBGU 2003)
Globale Energiewende aus zwei Gründen unerlässlich:
§ Schutz der natürlichen Lebensgrundlagen
§ Beseitigung der Energiearmut in den Entwicklungsländern
WBGU-Pfad hat vier zentrale Bestandteile:
1. Starke Minderung der Nutzung fossiler Energieträger
2. Auslaufende Nutzung nuklearer Energieträger
3. Erheblicher Auf- und Ausbau neuer erneuerbarer Energieträger, insbesondere der Solarenergie
4. Steigerung der Energieproduktivität weit über historische Raten hinaus
Der WEC (World Energy Council) geht im Gegensatz dazu davon aus,
dass die Nutzung der Kernenergie zunehmen wird.
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17Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
WBGU (2003) Welt im Wandel; Energiewende zur Nachhaltigkeit
400 EJ (Exa = 1018) ≈ 13,5 Mrd. t SKE ≈ 9,5 Mrd. t RÖE
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18Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
DLR (2002) Concentrating Solar
Power (CSP) now
DLR = Deutsches Zentrum für
Luft- und Raumfahrt
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19Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
FVS 2002: DISS (Direct Solar Steam) Parabolrinnenstrang zur Direktverdampfung in Spanien
FVS = ForschungsVerbund Sonnenenergie
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20Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
FVS 2002: Fotoanimation eines geplanten 10 MW Solarturmkraftwerks in Spanien
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21Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
FVS 2002: Jahresertrag eines SEGS-Kraftwerks (Solar Electric Generating System)
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22Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
FVS 2002: Jahresertrag eines Solarturm-Kraftwerks mit Luftreceivertechnik
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23Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
DLR (2002) Concentrating Solar Power now
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24Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
FVS 2002
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25Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Heutige Energieversorgung
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26Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Unser Klimasystem, aus www.dlr.de/ipa/
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Ökosystem Erde mit seinen Wechselwirkungen
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28Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Natürlicher Treibhauseffekt
§ Ohne Atmosphäre würde sich eine mittlere Temperatur von -18 °C an der
Erdoberfläche einstellen
§ Durch die Filterwirkung der Atmosphäre beträgt die mittlere Temperatur
auf der Erde (lebensfreundliche) 15 °C (= 288 K)
§ Der Erwärmungseffekt der in der Atmosphäre vorhandenen
Treibhausgase liegt somit bei 33 Grad
Anthropogener Treibhauseffekt§ Die Konzentration des klimawirksamen Treibhausgases Kohlendioxid hat
seit der Industrialisierung deutlich zugenommen
§ Dadurch hat sich in den letzten 100 Jahren die mittlere Temperatur der
Atmosphäre um etwa 0,7 Grad erhöht
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29Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Klimamodelle und Prognosen
§ Zustandsgrößen im Klimageschehen sind Druck, Temperatur, Dichte,
Feuchte und Zusammensetzung der Luft sowie Windgeschwindigkeit
§ Deren zeitliche und räumliche Veränderungen werden durch
Bilanzgleichungen, ergänzt durch thermodynamische Relationen und
reaktionskinetische Ansätze, beschrieben
§ Damit steht ein System von gekoppelten, nichtlinearen, partiellen
Differenzialgleichungen zweiter Ordnung zur Verfügung, das nur
numerisch gelöst werden kann
§ Hierarchie der Modellgleichungen: vom einfachen Energiebilanzmodells
bis zu dreidimensionalen Zirkulationsmodellen
§ Probleme in den Modellen: Atmosphäre – Ozean - (Eis-) Modelle mit stark
unterschiedlichen Zeitskalen; unklare Rückkopplungs-Mechanismen; noch
unverstandene Effekte wie das El-Nino-Phänomen; stark eingeschränktes
Auflösungsvermögen
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30Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Modellrechnungen zur Kohlendioxyd-Verdopplungsstudie
Dabei wird eine Zunahme von 300 auf 600 ppm CO2
angenommen; die
wesentlichen Resultate lauten:
§ Die globale Mitteltemperatur steigt um 1,5 bis 4,5 Grad
§ In polaren Gebieten findet eine stärkere Erwärmung statt (positive
Rückkopplung), da wegen Schrumpfung der Eisgebiete die Rückstreuung
vermindert wird
§ In Äquatornähe wird die Erwärmung geringer sein, da mit zunehmender
Temperatur die Verdunstung einen Teil der Energie verbraucht (negative
Rückkopplung)
§ Zunahme der Niederschläge, da mit steigender Temperatur die
Verdunstung ansteigt
§ Anstieg des Meeresspiegels durch thermische Ausdehnung des Wassers
Fazit: Sämtliche Beobachtungen bestätigen qualitativ die „Prognosen“
(besser Szenarien) der Modellrechnungen
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31Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Aus Rahmstorf u. Schellnhuber (2006): Der Klimawandel
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Aus Rahmstorf u. Schellnhuber (2006): Der Klimawandel
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33Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Zukunftsszenarien des IPCC für 2001 bis 2100, basierend auf
unterschiedlichen Annahmen über den demographischen,
gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und technologischen Wandel
§ A1: Rasches Wirtschaftswachstum und schnelle Einführung neuer und
effizienterer Technologien; Unterszenarien betreffen den Energiemix:
A1 FI: vorw. fossile; A1 T vorw. regenerative Energieträger;
A1 B: Mix fossiler und regenerativer Energieträger
§ A2: Heterogene Welt mit einem Schwerpunkt auf traditionelle Werte;
fragmentierter und langsamer technologischer Wandel
§ B1: Ähnlich wie Szenario A1, jedoch rascher Übergang zur Dienstleistungs-
und Informationsgesellschaft; saubere und sparsame Technologien setzen
sich durch; Leitbild Nachhaltigkeit wird umgesetzt
§ B2: Setzt auf Nachhaltigkeit wie B1, Schwerpunkt liegt auf lokalen
Lösungen wie bei A2
§ Vergleichszenario IS 92a (1992): „Weiter wie bisher“
Fazit bezüglich der Änderungen von CO2-Konz., Temperatur, Meeresspiegel:
Größte Anstiege bei A1 FI, geringste Anstiege bei B1
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36Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
Spektrum der Wissenschaft Dossier 1/2002 Klima
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37Energiewende und Klim afolgen; Clausthal-Zellerfeld 4. Juni 2008
GEO Special Nr. 2, 1982
Wetter
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FAZ 28. Dez. 2007
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Unsere Zivilisationsmaschine
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Erforderlich ist eine Doppelstrategie:
§ Anpassung an den Klimawandel, um das
Unvermeidbare zu beherrschen und
§ Verminderung der Emissionen, um das
Unbeherrschbare zu vermeiden
H. J. Schellnhuber, Potsdam-Institut für
Klimafolgenforschung (PIK)
siehe auch FAZ 2.3.2007, Feuilleton S. 37-43
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Literaturempfehlungen zum Thema Energie
Häfele W (Hrsg) (1990) Energiesysteme im Übergang. Poller, Landsberg/Lech
Heinloth K (2003) Die Energiefrage. 2. Aufl. Vieweg, Braunschweig
Hennicke P, Müller M (2005) Weltmacht Energie. Hirzel, Stuttgart
Michaelis H, Salander C (Hrsg) (1995) Handbuch Kernenergie. Kompendium der
Energiewirtschaft und Energiepolitik. 4. Aufl. VWEW-Verlag, Frankfurt/Main
Nakicenovic N, Grübler A, McDonald A (Eds) (1998) Global Energy
Perspectives. Cambridge Univ. Press, Cambridge
Scheer H (1999) Solare Weltwirtschaft. Kunstmann, München
Wagner H-J (2007) Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts? Fischer,
Frankfurt/Main
WBGU Gutachten Welt im Wandel (2003) Energiewende zur Nachhaltigkeit.
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Literaturempfehlungen zum Thema Klima
Al Gore (2006) Eine unbequeme Wahrheit. Riemann, München
Flannery T (2006) Wir Wettermacher. Fischer, Frankfurt/Main
Graßl H, Klingholz R (1990) Wir Klimamacher. Fischer, Frankfurt/Main
Latif M (2007) Bringen wir das Klima aus dem Takt? Fischer, Frankfurt/Main
Rahmstorf S, Schellnhuber HJ (2006) Der Klimawandel. Beck, München
Müller M u. a. (Hrsg) (2007) Der UN-Weltklimareport. KiWi, Köln
WBGU Sondergutachten (2003) Über Kioto hinaus denken – Klimaschutzstrategien für
das 21.Jahrhundert
WBGU Gutachten Welt im Wandel (2007) Sicherheitsrisiko Klimawandel
Literatur des Vortragenden
Jischa MF (2004) Ingenieurwissenschaften. Reihe Studium der Umweltwissenschaften.
Springer, Berlin (Buch zum „Jahr der Technik 2004“)
Jischa MF (2005) Herausforderung Zukunft – Technischer Fortschritt und
Globalisierung. 2. Aufl. Spektrum Akad. Verlag, Heidelberg